用密度泛函理論預(yù)測酚類化合物的正辛醇/水分配系數(shù)

葉慶國,宋 斌,張宏哲,張德強,張 帆

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島266042;2.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,化學(xué)品安全控制國家重點實驗室,山東青島266071)

用密度泛函理論預(yù)測酚類化合物的正辛醇/水分配系數(shù)

葉慶國1,宋 斌1,張宏哲2,張德強1,張 帆2

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島266042;2.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,化學(xué)品安全控制國家重點實驗室,山東青島266071)

利用密度泛函理論(DFT),基于B3L YP/6-31 G(d,p)和B3L YP/6-311 G(d,p)兩種水平計算了36種酚類化合物的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù),建立了兩種水平的正辛醇/水分配系數(shù)(Kow)的定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系模型;確定相關(guān)系數(shù)(R)分別為0.988和0.988,交叉驗證系數(shù)(q2)分別為0.94和0.96,并用變異膨脹因子(Vif)和t值對模型進行了檢驗.結(jié)果表明,基于B3L YP/6-31 G(d,p)和B3L YP/6-311 G(d,p)的模型均具有較好的預(yù)測能力;其中B3L YP/6-31 G(d,p)基組較小,所需運算時間短,且所得模型更穩(wěn)健,更適用于預(yù)測酚類化合物的Kow.

酚類;正辛醇/水分配系數(shù);定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系(QSPR);密度泛函理論;預(yù)測

歐盟于2007年6月實施了REACH法規(guī),要求對化學(xué)品進行注冊和安全評估之后,方可進入歐盟市場[1].有機化合物的正辛醇/水分配系數(shù)(Kow)是一種評估所需的非常重要的參數(shù),能在一定程度上反映其親脂性、疏水性及在生物體內(nèi)的富集和在環(huán)境中的遷移能力,在環(huán)境風(fēng)險評價中有著重要的作用[2-4].實驗測定有機化合物Kow是最直接、有效的方法[5],但是隨著現(xiàn)今化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展,化學(xué)品的種類和數(shù)量越來越多,實驗測定每種化學(xué)品的Kow耗時、耗力、耗財,也是不現(xiàn)實和不足取的[6].因此,可采用定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系對有機化合物Kow進行預(yù)測.酚類化合物是一種重要的環(huán)境污染物,因此,對其進行定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)(QSPR)研究具有重要的意義.

本文作者首先采用 Gaussian 03量子化學(xué)計算軟件,分別在B3L YP/6-31G(d,p)和B3L YP/6-311G(d,p)兩種水平對36種酚類化合物進行了計算,得到其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù),然后結(jié)合實驗數(shù)據(jù),建立了預(yù)測酚類化合物logKow的QSPR模型,并利用逐一交叉驗證法評價了模型的穩(wěn)健性,為研究酚類化合物的理化性質(zhì)提供理論依據(jù).

1 計算方法

采用 Gaussian03量子化學(xué)計算軟件分別在B3L YP/6-31G(d,p)和B3L YP/6-311G(d,p)兩種水平上計算了36種酚類化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù).結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:最正氫原子電荷(q+H),最負原子電荷(q-),分子最高占據(jù)軌道能級(EHOMO),分子最低未占軌道能級(ELUMO),偶極矩(μ),分子摩爾體積(Vm),化學(xué)勢(λ),化學(xué)硬度(η),λ、η分別表示為[7]:

熱力學(xué)參數(shù)包括:總能量(ET),零點振動能(EZP),焓(H),自由能(G)和熵(S).用SPSS軟件進行多元逐步線性回歸得到logKow實驗值和參數(shù)之間的構(gòu)效關(guān)系方程,用變異膨脹因子(Vif)評價變量之間的相關(guān)性[8],對自變量在顯著水平α=0.05時進行t檢驗,用逐一交叉驗證法檢驗?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性[9].36種酚類化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)的計算結(jié)果列于表1和表2,logKow的實驗值(exp)取自美國環(huán)保署和Syracuse研究公司聯(lián)合開發(fā)的EPI軟件包、計算值(prep)和殘差(diff)列于表3.36種化合物的名稱見表3.

表1 酚類化合物B3L YP/6-31G(d,p)計算得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural descriptors by B3L YP/6-31G(d,p)for phenol compounds

續(xù)表1

表2 酚類化合物B3L YP/6-31G(d,p)計算得到的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic descriptors by B3L YP/6-31G(d,p)for phenol compounds

續(xù)表2

表3 酚類化合物的logKow實驗值和B3L YP/6-31G(d,p)水平的計算值Table 3 The experimental and predicted logKowby B3L YP/6-31G(d,p)of phenol compounds

2 結(jié)果與討論

2.1 QSPR模型的建立

采用多元逐步線性回歸得到的logKow與結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù)之間的模型方程,見表4.

表4 不同計算水平得出的logKow的模型方程Table 4 logKowdependent equations computed at different levels

表4中兩種模型的樣本數(shù)(N)皆為36,計算所得相關(guān)系數(shù)(R)皆大于0.98,交叉驗證相關(guān)系數(shù)(q2)分別等于或大于0.94,標準偏差(SD)均小于0.18,說明兩種模型均具有很好的線性相關(guān)性.由表4中式1、2可知:logKow隨G(負值)和q-(負值)的減小而增大,與EZP正相關(guān),與負相關(guān).化合物logKow實驗值與B3L YP/6-31G(d,p)水平計算值的關(guān)系如圖1所示.

2.2 模型的檢驗

用變異膨脹因子(Vif)檢驗進入模型變量之間的多重共線性,它能夠反映方程中自變量之間的相關(guān)程度[10].Vif定義為:Vif=1/(1-r2),其中,r為模型中參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù).Vif=1.0時,參數(shù)之間不存在相關(guān)性;110時,模型不穩(wěn)健,變量之間存在很強的相關(guān)性,需要重新檢查變量間的相關(guān)系數(shù)[11-12].兩種模型中變量的Vif及t值見表5.

圖1 酚類化合物logKow文獻值與計算值之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between experimental and calculated logKowof phenols

表5 兩種計算水平所得自變量的Vif和t值Table 5 Vifandtvalues of independent variables at two levels

表5中,B3L YP/6-31G(d,p)水平建立的模型的各個參數(shù)的Vif均小于5.0,表明模型中變量間的相關(guān)性很小,模型是穩(wěn)健的,可以接受.B3L YP/6-311G(d,p)水平建立的模型的q+H和q-的Vif分別為6.061和6.259,皆大于5.0,說明二者之間有一定相關(guān)性,模型不夠穩(wěn)健.B3L YP/6-31G(d,p)水平建立的模型的各自變量的t值分別為-33.576,14.338,-7.085,-4.543均大于置信度為95%的標準t值(tα/2=2.03),說明此模型是可行的,并進一步驗證了模型的穩(wěn)定性.G的t值絕對值大于的t值絕對值,說明G對logKow的影響較更為顯著.

3 結(jié)論

在B3L YP/6-31G(d,p)和B3L YP/6-311G(d,p)兩種水平上計算得到了部分酚類化合物的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù),將這些參數(shù)作為描述符,得到酚類化合物的logKow與其結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù)的定量結(jié)構(gòu)-關(guān)系方程.兩種方法得到的結(jié)果相近,而在B3L YP/6-31G(d,p)水平上建立的模型更為穩(wěn)健,且B3L YP/6-31G(d,p)具有基組小,運算時間短,比較經(jīng)濟可靠的特點,可以用于酚類化合物Kow的預(yù)測.

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Predictingn-octanol/water partition coefficient of phenols with density functional theory

YE Qing-guo1,SON GBin1,ZHANG Hong-zhe2,ZHANG De-qiang1,ZHANG Fan2

(1.College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao266042,Shandong,China;2.State Key L aboratory of Saf ety and Control f or Chemicals-Qingdao Research Institute of Saf ety Engineering,S INOPEC,Qingdao266071,Shandong,China)

Structural and thermodynamic parameters of 36 phenol compounds were optimized by using density functional theory(DFT)at the levels of B3L YP/6-31G(d,p)and B3L YP/6-311G(d,p),respectively.As-obtained parameters were used to establish the quantitative structureproperty relationship models forn-octanol/water partition coefficient.The correlation coefficients(R)were determined to be 0.988 and 0.988,and the cross validated correlation coefficients(q2)were determined to be 0.94 and 0.96,respectively.The models were validated byVif(variance inflation factors)and t-test.Results show that both models obtained at the B3L YP/6-31G(d,p)and B3L YP/6-311G(d,p)levels have good predictive ability,and B3L YP/6-31G(d,p)is more suitable for predicting theKowof phenol compounds,due to its shorter time needed and more robust model.

phenols;n-octanol/water partition coefficient;quantitative structure-property relationship(QSPR);DFT;prediction

O 643.38

A

1008-1011(2011)04-0066-06

2010-12-28.

葉慶國(1957-),女,教授,主要從事傳質(zhì)與分離研究.E-mail:yeqingguo@qust.edu.cn.